JP2008140911A - フォーカスモニタ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＵＶ露光装置等における光学系の最適フォーカスを簡易に求めることができ、露光精度及びスループットの向上に寄与する。
【解決手段】マスク３０上に形成されたパターンを該マスク３０とほぼ平行に載置されたウエハ５０上に露光する露光装置に対し、ウエハ面上でのフォーカスをモニタする方法であって、ウエハ５０上の露光エリア又はマスクの少なくとも一方に意図的に傾きを与え、露光エリアとマスク３０とが相対角度を持つ状態で露光することにより、露光エリア内にマスク３０のパターンの正像と偽解像の両方を形成し、露光エリア内に形成された正像と偽解像との位置関係を計測し、計測した位置関係に基づいて露光装置の最適フォーカス位置を測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置のリソグラフィに用いる露光装置におけるフォーカスをモニタする方法に係わり、例えば軟Ｘ線を用いたＥＵＶ露光装置の最適フォーカスを求めるフォーカスモニタ方法に関する。

近年、半導体素子や液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程では、スループットを重視する観点から、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッパ）や、このステッパを改良したステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置などの逐次移動型の露光装置が用いられている。この種の露光装置において、光学系の最適なフォーカス位置（ベストフォーカス位置）を計測する方法としては、いわゆるＣＤ／フォーカス法とＳＭＰフォーカス計測法が主として用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

ＣＤ／フォーカス法では、例えばラインアンドスペースパターン等のテストパターンを投影光学系の光軸方向に関する複数のウエハ位置でテスト用ウエハに転写する。そして、そのテスト用ウエハを現像して得られるレジスト像（転写されたパターンの像）の線幅値を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により計測し、その線幅値と投影光学系の光軸方向に関するウエハ位置（以下、適宜「フォーカス位置」ともいう）との相関関係に基づいてベストフォーカス位置を判断する。

ＳＭＰフォーカス計測法では、複数のフォーカス位置で、くさび形マークのレジスト像をウエハ上に形成し、フォーカス位置の違いによるレジスト像の線幅値の変化を長手方向の寸法変化に増幅させて置き換え、露光装置のアライメント系などのマーク検出系を用いてレジスト像の長手方向の長さを計測する。さらに、フォーカス位置とレジスト像の長さとの相関関係に基づいてベストフォーカス位置を検出（算出）する。そして、種々のテストパターンについて、上述のようにして得られたベストフォーカス位置に基づいて、投影光学系の光学特性である非点収差や像面湾曲等を計測していた。

しかし、ＣＤ／フォーカス法では、例えばレジスト像の線幅値をＳＥＭで計測するために、ＳＥＭのフォーカス合わせを厳密に行う必要があり、１点当たりの計測時間が非常に長く、多数点での計測をするためには数時間から数十時間が必要とされていた。また、投影光学系の光学特性を計測するためのテスト用パターンも微細化すると共に、投影光学系の視野内での評価点の数も増加することが予想される。従って、ＳＥＭを用いた従来の計測方法では、計測結果が得られるまでのスループットが大幅に低下してしまうという不都合があった。

また、計測誤差や計測結果の再現性についても、より高いレベルが要求されるようになり、従来の計測方法ではその対応が困難となってきた。さらに、フォーカス位置と線幅値の相関関係を示す近似曲線は、誤差を小さくするために４次以上の近似曲線が用いられており、それには、評価点毎に少なくとも５種類のフォーカス位置に関する線幅値が求められなければならないという制約があった。また、ベストフォーカス位置からずれたフォーカス位置（投影光学系の光軸方向に関する＋方向と−方向との両方を含む）での線幅値とベストフォーカス位置での線幅値との差は、誤差を小さくするために１０％以上であることが要求されているが、この条件を満足させることが困難となってきた。

一方、ＳＭＰフォーカス計測法では、通常、計測を単色光で行うために、レジスト像の形状の違いにより干渉の影響が異なり、それが計測誤差（寸法オフセット）につながることが考えられる。さらに、画像処理にてくさび形マークのレジスト像の長さ計測を行うには、レジスト像の最も細くなる長手方向の両端部分までの情報を詳細に取り込む必要が有り、現状の画像取り込み機器（ＣＣＤカメラ等）の分解能では未だ十分ではないという問題点がある。また、テストパターンが大きいために、投影光学系の視野内での評価点の数を増加させることが困難であった。
特許第２５８０６６８号公報 特許第２７１２３３０号公報

このように従来、軟Ｘ線を用いたＥＵＶ露光装置においては、光学系の最適フォーカス位置を正確に求めることが困難であり、しかも測定に要する時間が長いものとなり、これが露光精度及びスループットを低下させる要因となっていた。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、ＥＵＶ露光装置等における光学系の最適フォーカス位置を簡易に求めることができ、露光精度及びスループットの向上に寄与し得るフォーカスモニタ方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様は、マスク上に形成されたパターンを該マスクとほぼ平行に載置されたウエハ上に露光する露光装置に対し、ウエハ面上でのフォーカスをモニタするフォーカスモニタ方法であって、前記ウエハ上の露光エリア又は前記マスクの少なくとも一方に意図的に傾きを与え、露光エリアとマスクとが相対角度を持つ状態で露光することにより、前記露光エリア内に前記マスクのパターンの正像と偽解像の両方を形成するステップと、前記露光エリア内に形成された正像と偽解像との位置関係を計測するステップと、前記計測した位置関係に基づいて、前記露光装置の最適フォーカス位置を測定するステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、マスク上に形成されたパターンを該マスクとほぼ平行に載置されたウエハ上に露光する露光装置に対し、ウエハ面上でのフォーカスをモニタするフォーカスモニタ方法であって、前記ウエハ上の露光エリアを順次移動させると共に、各露光エリア毎にフォーカス量を変えて露光することにより、前記露光された複数の露光エリア内に前記マスクのパターンの正像と偽解像の両方を形成するステップと、前記露光エリア内に形成された正像と偽解像との前記露光エリアに対する位置関係を計測するステップと、前記計測した位置関係に基づいて、前記露光装置の最適フォーカス位置を測定するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、特別な計測装置を必要とすることなく、露光装置の最適フォーカス条件を目視、或いは低倍率の光学顕微鏡を用いて簡単に決定することができ、これにより露光精度及びスループットの向上に寄与することが可能となる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に使用したステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影露光装置を示す概略構成図である。

図１に示すようにこの露光装置は、ＥＵＶ光を発する光源１１、光源１１から発せられた光を伝搬する照明光学系１２０、及び照明光学系１２０で伝搬された光が照射されるマスク（反射型レチクル）３０を保持するマスクステージ３１を備える。さらに露光装置は、マスク３０で反射された光を伝搬する投影光学系１４０、及び投影光学系１４０で伝搬された光で露光されるレジスト膜が塗布されたウエハ５０を保持するウエハステージ５１を備える。

光源１１は、赤外域から可視域の波長のレーザー光を発する。例えば、半導体レーザー励起によるイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）レーザーやエキシマレーザ等が光源１１から発せられる。光源１１に隣接して集光レンズ１２が配置される。集光レンズ１２は光源１１から発せされたレーザー光を焦点１３に集光する。焦点１３にはキセノン（Ｘｅ）ガスが供給されている。Ｘｅガスはレーザー光で照射されることにより高温になる。さらにＸｅがプラズマ状態に励起され、低ポテンシャル状態へ遷移する際に波長が１２ｎｍ〜１４ｎｍの軟Ｘ線領域のＥＵＶ光が放出される。放出されたＥＵＶ光は楕円鏡１４で集光され、放物面鏡１５で反射される。

放物面鏡１５で反射されたＥＵＶ光が伝搬される照明光学系１２０は、反射鏡２１，２２、コンデンサミラー２３、及び光路折り曲げ鏡２４を備える。ＥＵＶ光は反射鏡２１，２２で反射され、さらにコンデンサミラー２３で反射集光される。コンデンサミラー２３で反射集光されたＥＵＶ光は光路折り曲げ鏡２４で反射され、マスクステージ３１に静電吸着力で固定されたマスク３０に到達する。

マスク３０の下方には投影光学系１４０が配置されている。投影光学系１４０の下方には、ウエハ５０を保持するウエハステージ５１が配置されている。投影光学系１４０は、コンデンサミラー４１、光路折り曲げ鏡４２，４３、コンデンサミラー４４、光路折り曲げ鏡４５、及びコンデンサミラー４６を備える。マスク３０で反射されたＥＵＶ光は、コンデンサミラー４１で反射集光され、光路折り曲げ鏡４２，４３で反射される。さらにＥＵＶ光はコンデンサミラー４４で反射集光され、光路折り曲げ鏡４５で反射される。光路折り曲げ鏡４５で反射されたＥＵＶ光はコンデンサミラー４６で集光反射され、ウエハ５０の表面に塗布されたレジスト膜上で焦点を結ぶ。投影光学系１４０の倍率は、例えば１／４である。ＥＵＶ光は空気に吸収されるため、照明光学系１２０及び投影光学系１４０等の環境は真空に保たれるのが好ましい。また、マスクステージ３１は、制御機構１５０に接続されている。

このような構成において、照明光学系１２０によりＥＵＶ光がマスク３０に照射され、その反射光が投影光学系１４０によりウエハ５０上に照射されるため、マスク３０のパターンは投影光学系１４０により縮小されてウエハ５０上に転写される。このとき、マスクステージ３１とウエハステージ５１はそれぞれ投影光学系１４０の縮小比に従い同期走査される。

露光装置はステップ・アンド・スキャンを繰り返して露光を行い、ウエハ５０の全面に露光が完了すると、次のウエハへと移る。さらに、全てのウエハへの露光が終了すると、マスク３０を交換し、再び同様の手順で露光を繰り返す。ウエハ５０は、そのＺ方向（投影光学系の光軸方向）の位置合わせのため、高さ位置検出センサ（Ｚセンサ）にてその表面位置を計測され、この計測情報に応じて高さ位置が制御される。

ここで、一様なライン・アンド・スペースを有するマスクパターンをウエハ上に露光することを考える。このとき、ウエハ上でのコントラストをシミュレーションした結果を、図２に模式的に示す。図中の６１はマスク上のライン（遮光部）、６２はスペース（透過部）を表している。図中縦方向にマスク上のパターンの、フォーカスを変化させた場合における像コントラストが変化する様子を示しており、そのコントラストの様子から６３は明るい領域、６４は暗い領域、６５は中間領域を示している。

ライン・アンド・スペースの寸法は、ウエハ上で３２ｎｍの１：１である。投影光学系のＮＡは０．２５、照明光学系の有効な大きさを表すコヒーレンスファクタσは０．３である。露光光の波長λは１３．５ｎｍである。また、図３に、デフォーカス量とコントラストの関係をグラフ化して示す。

ベストフォーカス位置においてはコントラスト最大（図中Ａ）であるが、デフォーカスするに伴いコントラストが低下していく様子が見て取れる。ここで、デフォーカスを続けるとコントラストが極小になるフォーカス位置（図中Ｂ）がある。この位置では、マスクパターンは解像していない。更にデフォーカスをすると、今度は再度コントラストのピークを持つ位置（図中Ｃ）が存在している。このデフォーカス位置でのコントラストピーク位置では、マスクの像とは白黒が反転した像（偽解像）がウエハ上に現れている。

ベストフォーカス位置での像を偽解像に対して、正解像と呼ぶことにする。また、更にデフォーカスをすると再度コントラストが極小になる位置が存在する。これらの現象は、ベストフォーカス位置に対して対象に、プラス方向・マイナス方向どちらにデフォーカスをしても同様の現象が観測される。

上記偽解像の現れる条件をシミュレーションしたものが、図４である。これは、前記偽解像の現れる条件の、露光装置の照明条件に対しての依存性を調べたものである。露光装置のＮＡを０．２５とし、そのときのσとパターン寸法をパラーメータにし、正像と偽解像のコントラストの比を計算している。即ち、図５中の正像のレベルＩｉと偽解像のレベルＩｓとの比Ｉｃを計算したものである。

Ｉｃ＝ Ｉｓ／Ｉｉ
このＩｃの値が大きいほど、偽解像のコントラストが得られていることを示している。

図４から、ＣＤ及びσが小さいほどＩｃは大きくなっており、Ｉｃが０．５以上を望ましい範囲とすると、ＣＤが３０［ｎｍ］ではσは０．４以下、ＣＤが４０［ｎｍ］ではσは０．３以下、ＣＤが５０［ｎｍ］以上ではσは０．２以下となっている。

このことから、偽解像を生じやすい照明条件は、以下の範囲と考えられる。

σ≦ａ１／ＣＤ
ａ１ ： 定数（例えば１４）
ＣＤ ： ウエハ上の寸法［ｎｍ］
σ ： コヒーレンスファクタ
さて、これらの現象を用いて実際にウエハ上に露光を行うことを考える。即ち、これらの正解像と偽解像とを露光装置の同一ショット中に形成することを考える。

具体的には、図６に示すように、ショットにレベリングオフセットを乗せ、本来の結像位置からずらして露光する。即ち、図７に示すように、ウエハ５０をマスク３０と平行な本来の位置からスキャン方向に対してθだけ傾ける。

スキャン方式の露光装置の例では、露光スリットを所望のショットサイズ分だけウエハ上でスキャンさせ、所望のマスクパターンをウエハ上に形成する。このときに、ショットの中央付近にベストフォーカス位置を合わせてショットに傾き（レベリングオフセット）を乗せて露光すると、ショットの前半ではベストフォーカス位置よりもマイナス側に、ショットの後半ではプラス側にフォーカス位置がずれて露光が行われる。

この際にショットに与えたレベリングオフセットの量によって、ショットの前半位置と後半位置の高さの差が異なることになる。このレベリングオフセット量を適度な量に調節すると、図８に示すように、正解像８１と偽解像８２及びそれらの間に存在するコントラスト零の領域（非解像）８３を、同一のショット内に存在するようにする。

この状態を保ったまま、図９に示すように、レベリングオフセット一定で、ショットをフォーカス方向に変化させてパターンをウエハ上に露光する。図９中のＡはベストフォーカス位置がウエハ表面よりも遠いところにある場合、Ｂはベストフォーカス位置がウエハ表面にある場合、Ｃはベストフォーカス位置がウエハ表面よりも近いところにある場合を示している。

このときにウエハ上に形成されるショットのイメージを、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。図９の（ａ）（ｂ）（ｃ）が図８のＡ，Ｂ，Ｃにそれぞれ対応している。偽解像でパターンが形成されている部分が正解像した部分を挟んで存在しており、さらにそれらがショット内での位置を移動させている様子が観察される。

ここで、ショット内における正解像の位置をショットの中央部に持ってくるように、ショットのフォーカス位置を調整すると、ショットのレベリングオフセットを除いたときに当該ショットがベストフォーカス位置に来るようになる。

このように本実施形態によれば、ショットにレベリングオフセットを乗せ、同一ショット内にマスクのパターンの正像と偽解像の両方を形成することにより、投影光学系のベストフォーカスを主に目視観察にて行うことができる。即ち、特別な計測装置を必要とすることなく、露光装置の最適フォーカス条件を目視、或いは低倍率の光学顕微鏡を用いて簡単に決定することができる。このため、露光精度及びスループットの向上はかることができる。

（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係わるフォーカスモニタ方法を説明するためのもので、フォーカスと露光量を変更して露光した際にウエハ上に形成されたパターンを示す図である。

本実施形態では、ショット全体をウエハ内でフォーカス方向に変化させると共に、露光量を変化させる。横方向にフォーカスを、縦方向に露光量を微小量ずつ変化させて露光した例を示している。図中の数値は露光した際の露光量とデフォーカスの値の装置上での設定値を表しており、ウエハ上に形成されたものではなく、便宜上図面に表現した。

前述の如く、装置のベストフォーカス位置においては、マスク上のパターンの正解像８１が形成される。フォーカスを変化させるに伴い、形成されている像のコントラストが小さくなり解像しなくなった後、再度レジストの像８２が形成される。ここでは、マスクパターンとして白黒反転した偽解像のパターンが形成されている。

より具体的には、デフォーカス量が０〜＋０．１０［μｍ］の位置で正解像８１、デフォーカス量が−０．１０，＋０．２０［μｍ］の位置で偽解像８２、デフォーカス量が−０．１５，−０．０５，＋０．１５，＋０．２５，＋０．３０［μｍ］の位置で非解像８３となっている。

このように、ベストフォーカス位置を中心にしてプラス側のデフォーカス方向及びマイナス側のデフォーカス方向の両方に同様の現象が観測される。従って、このウエハを目視観察することで装置のベストフォーカス位置を知ることが可能となる。

本実施形態では、デフォーカス量が＋０．０５μｍでの位置が正解像のフォーカス方向の中心になっているため、装置のベストフォーカス位置を＋０．０５μｍと決定することができる。第１の実施形態ではレベリングオフセットを載せたが、本実施形態ではレベリングオフセットが不要となるため、ショットサイズが十分大きくない場合においても、適用することができる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、ウエハ自体を傾けてウエハの露光エリアを傾けるようにしたが、露光エリアが傾けられるものであれば、必ずしもウエハ自体を傾ける必要はない。また、ウエハの露光エリアを傾ける代わりにマスクを傾けるようにしても良い。さらに、ウエハの露光エリアとマスクの両方を傾けるようにしても良い。

また、露光装置は極端紫外光を使用した反射型のＥＵＶ露光装置に限るものではない。例えば、透過型の露光装置に適用することもでき、更に露光に使用する光源の波長は適宜変更可能である。さらに、フォーカスモニタに使用するパターンは必ずしもライン・アンド・スペースに限るものではなく、単調且つ単一方向に一様なパターンであればよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に使用したステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影露光装置を示す概略構成図。 ウエハ上でのコントラストをシミュレーションした結果を模式的に示す図。 デフォーカスとコントラストの関係をグラフ化して示す図。 偽解像の現れる条件をシミュレーションした結果を示す図。 正像のレベルＩｉと偽解像のレベルＩｓとの関係を示す図。 第１の実施形態の要部を説明するためのもので、ショットにレベリングオフセットを乗せ、本来の結像位置からずらして露光する様子を示す図。 最適フォーカス位置とウエハ位置との関係を示す図。 同一ショット内に正解像と偽解像及びそれらの間に存在するコントラスト零の領域が現れる様子を示す図。 レベリングオフセット一定で、ショットをフォーカス方向に変化させてパターンをウエハ上に露光する様子を示す図。 ウエハ上に形成されるショットのイメージを示す図。 第２の実施形態に係わるフォーカスモニタ方法を説明するためのもので、フォーカスを変更して露光した際にウエハ上に形成されたパターンを示す図。

符号の説明

１１…光源
１２…集光レンズ
１３…焦点
１４…楕円鏡
１５…放物面鏡
２１，２２…反射鏡
２３…コンデンサミラー
２４…光路折り曲げ鏡
３０…マスク（反射型レチクル）
３１…レチクルステージ
４１…コンデンサミラー
４２，４３…光路折り曲げ鏡
４４…コンデンサミラー
４５…光路折り曲げ鏡
４６…コンデンサミラー
５０…ウエハ
５１…ウエハステージ
６１…マスク上のライン（遮光膜）
６２…スペース（透過膜）
６３…明るい領域
６４…暗い領域
６５…中間領域
８１…正解像
８２…偽解像
８３…非解像
１２０…照明光学系
１４０…投影光学系
１５０…制御機構

Claims (5)

1. マスク上に形成されたパターンを該マスクとほぼ平行に載置されたウエハ上に露光する露光装置に対し、ウエハ面上でのフォーカスをモニタする方法であって、
   前記ウエハ上の露光エリア又は前記マスクの少なくとも一方に意図的に傾きを与え、露光エリアとマスクとが相対角度を持つ状態で露光することにより、前記露光エリア内に前記マスクのパターンの正像と偽解像の両方を形成するステップと、
   前記露光エリア内に形成された正像と偽解像との位置関係を計測するステップと、
   前記計測した位置関係に基づいて、前記露光装置の最適フォーカス位置を測定するステップと、
   を含むことを特徴とするフォーカスモニタ方法。
2. 前記マスク上に形成されたパターンは、単調且つ一様なパターンであることを特徴とする請求項１記載のフォーカスモニタ方法。
3. 前記マスクを照明する光学系の条件が、
   σ≦ａ１／ＣＤ
   ａ１：定数 14
   ＣＤ：ウエハ上に形成するパターンのウエハ上寸法［ｎｍ］
   σ：コヒーレンスファクタ
   を満足することを特徴とする請求項１記載のフォーカスモニタ方法。
4. 前記露光装置は、極端紫外光を使用した反射型露光装置であることを特徴とする請求項１記載のフォーカスモニタ方法。
5. マスク上に形成されたパターンを該マスクとほぼ平行に載置されたウエハ上に露光する露光装置に対し、ウエハ面上でのフォーカスをモニタする方法であって、
   前記ウエハ上の露光エリアを順次移動させると共に、各露光エリア毎にフォーカス量を変えて露光することにより、前記露光された複数の露光エリア内に前記マスクのパターンの正像と偽解像の両方を形成するステップと、
   前記露光エリア内に形成された正像と偽解像との前記露光エリアに対する位置関係を計測するステップと、
   前記計測した位置関係に基づいて、前記露光装置の最適フォーカス位置を測定するステップと、
   を含むことを特徴とするフォーカスモニタ方法。

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